車身噪音的分析與控制

閻勤勞，楊志勇，朱 燾

（廣東白云學院機電工程學院，廣州510640）

汽車在行駛過程中，由于發動機的不斷加速和減速、路面情況的不斷變化，噪音不斷地通過車身構件和車身縫隙的空氣傳入車內。為了防止噪音的傳入，車身壁板在設計時已經采取了消音措施[1]，如由車身結構板、阻尼層（對約束阻尼結構還包括約束層）等多層結構組成。粘附阻尼層也可以提高車身壁板的吸聲與隔聲性能。可是，隨著車輛運行時間的延長，其消音性能會逐漸下降。而通過分析多層板結構的特性（層厚度、層數、空氣隙等）對車內噪聲的影響，還不能完整低解釋這種原因[2]，對于車身消音性能的恢復更提不出有效的方法。在現代設計中，人們應用有限元法、邊界元法[3]及統計能量法[4]等進行了車身效應的設計，而對于經過一定時期運行汽車的消音效能下降的分析涉足很少，本文根據車輛在運行時期的隔音效果測試提出改進隔音效果的措施。

1 車內噪聲分析

應用模態相似準則[5]對SEA模型[6]施加聲載荷，測試駕駛員頭部聲子系統和后排乘員聲子系統的隔聲量，阻尼材料老化車身和加新阻尼材料車身的測試結果如圖1所示。

由測試結果圖1所示可以看出，汽車的噪聲主要依靠車身的隔阻，車身噪聲阻尼材料的老化對于消除噪聲（450 Hz以上）確有作用，但不是主要的。在高于800 Hz的高頻階段，有阻尼車身的隔聲效果明顯好于阻尼材料老化車身，而在800 Hz以內，故兩種情況下隔聲量沒有變化，此時有無阻尼，車身壁板的隔聲量均無太大變化，也反映出阻尼材料對高頻時聲處理的作用。

圖1 車身加阻尼前后車內聲壓級比較[5]

當計算出改變不同的阻尼層結構厚度時[5]，不同材料組合相對于阻尼材料老化時車內噪聲的變化如圖2所示。幾種不同阻尼層結構組合，在駕駛員頭部聲學子系統和后排乘員子系統處計算得出的車身壁板隔聲量相對于阻尼材料老化車身的變化[7]（如圖2所示）。

圖2 阻尼層厚度不同組合時相對于阻尼材料老化車身的變化

由圖可以看出，在800 Hz以上時，隨阻尼層結構厚度的變化，車身壁板的隔聲量有了明顯的改變，這也說明，阻尼層結構對中高頻的吸聲隔聲作用更為明顯。

2 車身的消音設計

車身壁板的阻尼層處理包括附加自由阻尼處理和約束阻尼處理，有些還在阻尼層間留有一定間隙的空氣層。自由阻尼結構中車身結構板為基板，在其上粘結阻尼層，在每個振動周期中靠阻尼層的粘滯特性損耗振動能量。約束阻尼結構的最下與最上層分別為車身結構板（基板）和約束層，中間為粘彈性阻尼層，在振動中靠粘彈性阻尼層剪切應變在每個振動周期中把基板的一部分振動能量轉化為熱能。本文主要對車頂棚、車地板及車門處的阻尼結構進行分析，其中車頂與車門為具有空氣層的多層板結構，車地板為三層約束阻尼結構，其余壁板為兩層的自由阻尼結構，車身壁板阻尼材料層與空氣層厚度的參數選取范圍如表1所示。

表1 阻尼材料層與空氣層厚度的取值[5]

由上述參數可知，車身的消音效果來源于消音設計，即結構設計和噪聲阻尼材料的選用，那么由于車輛在運行過程作用以及材料的不斷老化、污染，汽車的消音效果必然變差。

3 汽車運行后對車身消音效果的影響

采用數值仿真方法可計算出多組隨阻尼層及空氣層厚度變化時對應車內兩個選定點的聲壓級，利用人工神經網絡[8]方法可得到一組多輸入（多層板及空氣層厚度）對多輸出的非線性映射。對應于每一頻率，通過對多輸入對多輸出的非線性函數求各變量的偏導即可得到在各頻率下設計變量對車內聲壓的靈敏度。

通過BP神經網絡對輸入輸出的學習，可得到在各個頻率段下，車身壁板阻尼層厚度參數對車身壁板隔聲量的非線性映射，依據網絡的權值和閾值可獲得各輸出對應輸入變量的映射函數。即輸入空間R5（5個設計變量）對輸出空間R3（3個頻率下的車身壁板隔聲量）的非線性映射函數。神經網絡采用三層結構，輸入層節點為5，輸出層節點為3，隱含層節點數為2.另外，設定神經網絡的學習率為0.1，學習次數500次，許可誤差0.000 01，此時檢驗樣本輸出誤差均控制在5%以內，達到滿意效果。

可求得在頻率為800 Hz、2 000 Hz以及10 000 Hz時，輸入變量相對于車身壁板隔聲量的非線性映射函數為

式中 S1，S2，S3分別表示在頻率為 800 Hz、2000 Hz以及10 000 Hz時的隔聲量映射函數，網絡權值與閾值分別為

通過求映射函數對阻尼層結構厚度參數的偏導數，可得到不同頻率下阻尼層結構變量對車內聲壓級的靈敏度，進行歸一化處理后如圖3所示。

圖3 相對于各層厚度的歸一化聲－結構靈敏度

圖3 所示說明具有阻尼層和空氣層的車頂蓬的聲傳遞損失靈敏度是最高的。在800 Hz時，增加車頂裝飾層和空氣層的厚度有利于提高壁板隔聲性能。而在其他兩個頻率，二者的作用是相反的，即要想在同時改變車頂阻尼結構的同時提高隔聲性能，必須在增加車頂裝飾層厚度的同時減小車頂空氣層的厚度。對車底板及車門阻尼結構，對車身壁板的隔聲量靈敏度較小，且車門空氣層對隔聲量的影響為負，即減小車門空氣層的厚度可提高壁板隔聲量。

4 結束語

（1）車身的密封是保障降低車內噪音的主要條件，可是，隨著車輛的運行時間的延長，車身結構必然產生一定的變化，使車身的密封性能下降，因此及時地對車輛結構進行調整復原，不僅僅有利于汽車的使用安全，還對消除車內噪音有著直接的關系。

（2）車內噪聲阻尼層的結構、材料的形狀對消除噪聲均有直接影響，隨著汽車運行時間的延長，其各方面都會產生變化，如由于灰塵，阻尼材料孔隙度的下降、阻尼材料的老化致使材料心能變化等。所以必須對車內阻尼材料進行定期清潔或采用其它恢復阻尼材料性能的措施。

[1]Dan Tang.Aluminum Vehicle Side Impact Design[C].Test and CAE，2002.

[2]Horst Lanzerath.Crash Simulation on Body Structural Components Made Out of Extruded Magnesium[C].SAE Paper，2003.

[3]Ari Garo Caliskan.Design&Analysis of Composite Impact Structures for Formula One Using Explicit FEA Techniques.[C].SAE Paper，2002.

[4]侯 林，張君媛.某轎車車體結構側面抗撞性的分析與改進[C].2006中國汽車安全技術國際研討會論文集，2006:33-36.

[5]鄧江華，劉獻棟，李興虎，等.車身阻尼層結構的聲靈敏度分析及優化[J].噪聲與振動控制，2009，（1）：54-58.

[6]馬曉春，沈衛兵.有限元數值模擬技術在汽車沖壓件成形中的應用[J].浙江工業大學學報，2007，35（1）：100-101.

[7]M.Dorigo， V.Maniezzo， and A.Colorni.Ant system:Optimization by A Colony of Cooperative Agents[J].IEEE Transactions on Systems，Man and Cybernetics Part B:Cybernetics，1996，26（1）：29-41.